電力電子變換器機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　反激變換器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、輸入輸出電氣隔離、電壓升/降范圍寬、易于多路輸出等優(yōu)點(diǎn)，因而是機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源理想的電路拓?fù)洹?
　　
　　然而，反激變換器功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)漏感儲(chǔ)能引起的電壓尖峰必須用箝位電路加以抑制。由于RCD箝位電路比LCD箝位、有源箝位電路更簡(jiǎn)潔且易實(shí)現(xiàn)，因而 RCD箝位反激變換器在小功率變換場(chǎng)合更具有實(shí)用價(jià)值[1]。將RCD箝位反激變換器與峰值電流控制技術(shù)結(jié)合在一起，便可獲得高性能的電力電子變換器機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源。本文主要論述這類(lèi)機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源原理，首次提出了箝位電路等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例與試驗(yàn)結(jié)果。

2 機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源的原理

1）功率電路

　　功率電路采用RCD箝位反激變換器，如圖1所示。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能變壓器T的漏感能量轉(zhuǎn)移到箝位電容C中，并在電阻R上消耗。功率開(kāi)關(guān)S關(guān)斷電壓尖峰得到了有效的抑制。
　

圖1 RCD箝位反激變換器電路拓?fù)?/TD>	圖2 不同R、C值時(shí)箝位電容電壓波形

　　然而，箝位電路參數(shù)對(duì)反激變換器的性能有重要的影響。不同R、C值時(shí)，箝位電容電壓波形如圖2所示。圖2(a)中，C取值較大，C上電壓緩慢上升，副邊反激過(guò)沖小，變壓器原邊能量不能迅速傳遞到副邊；圖2(b)中，R、C值合適，C上電壓在開(kāi)關(guān)管截止瞬間沖上去，然后二極管D截止，電容C通過(guò)電阻R放電，到功率管開(kāi)通瞬間，C上電壓應(yīng)放到接近(N1/N2)Uo；圖2(c)中，R、C均偏小，C上電壓在管子截止瞬間沖上去，然后因?yàn)镽C時(shí)間常數(shù)小，C 上電壓很快放電到等于(N1/N2)Uo，此時(shí)RCD箝位電路將成為反激變換器的死負(fù)載，消耗儲(chǔ)存在變壓器中的能量，效率降低。

2）控制方案

　　機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源采用UC3843芯片峰值電流控制技術(shù)。電流控制技術(shù)使系統(tǒng)具有瞬態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、輸出電壓精度高、內(nèi)在限流能力強(qiáng)、易并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。但占空比大于50%時(shí)，控制環(huán)變得不穩(wěn)定，抗干擾性能差，需斜坡補(bǔ)償。

3）電路組成
　　
　　機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源電路組成，如圖3所示。220V50HzAC經(jīng)EMI濾波器、整流橋后得到270VDC，再經(jīng)RCD箝位的反激變換器變換成三路輸出+ 15VDC（0.8A）、-15VDC（0.15A）、+5VDC（0.2A），電流控制芯片UC3843由自饋電繞組N5供電。R10是電流檢測(cè)電阻， R12是斜坡補(bǔ)償電阻。

圖3機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源電路組成

3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1）儲(chǔ)能式變壓器
　　
　　電流臨界連續(xù)時(shí)原邊電感
　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　式（1）中，Uimin為變壓器原邊輸入的最小直流電壓，Ts為開(kāi)關(guān)周期，Po為輸出功率，η為變換效率。儲(chǔ)能式變壓器磁芯氣隙為
　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　式（2）中，B為鐵芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，Sc為鐵芯截面積，K為最小輸出功率與額定輸出功率之比。原邊繞組匝數(shù)為
　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

　　原、副邊繞組匝數(shù)比為
　　　　　　　　　(4)

　　式(4)中，UD為輸出整流二極管壓降、Uo2為副邊繞組N2輸出電壓。同理可求得其它匝比。

2）RCD箝位電路
　
　　功率管截止時(shí)，漏感能量等于箝位電容C吸收的能量，則
　　　　　　　　　　　　(5)

　　式(5)中，Llk為變壓器漏感、I1P為原邊電感電流峰值、UDS為最大漏源電壓、Ureset為電容C初始電壓、Ui為輸入直流電壓。箝位電容C上的電壓只是在功率管關(guān)斷的一瞬間沖上去，然后應(yīng)一直處于放電狀態(tài)。在功率管開(kāi)通之前，箝位電容C上的電壓不應(yīng)放到低于(N1/N2)Uo，否則二極管D導(dǎo)通，RCD箝位電路將成為該變換器的死負(fù)載。箝位電阻R要滿(mǎn)足
　　　　　　　　　　(6)

　　箝位二極管D的電壓應(yīng)力為Ui+(N1/N2)Uo，峰值電流為原邊電感峰值電流I1P。

3）功率開(kāi)關(guān)

　　功率開(kāi)關(guān)S的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為
　　　　　　　　　　　(7.a)

　　　　　　　(7.b)

　　式（7.b）中，I1av為原邊電感電流平均值，ΔI為原邊電感電流脈動(dòng)值。

4）整流二極管

　　整流二極管D6的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為
　　　　　　　　　　　(8.a)

　　　　　　　　　　　　　　　(8.b)

　　同理計(jì)算其它整流二極管承受的電壓和電流應(yīng)力。D2的作用是阻止啟動(dòng)時(shí)輸入電壓對(duì)死負(fù)載R4供電，使得C2上的電壓迅速上升，從而使UC3843快速啟動(dòng)。

5）死負(fù)載R4的選取

　　死負(fù)載R4消耗的功率按額定功率的5%來(lái)設(shè)計(jì)，其大小為
　　　　　　　(9)

6）輸出濾波電容
　　　　　　　　(10)

　　式（10）中，K%=Uopp/Uo，Uopp為輸出電壓紋波峰峰值，R為負(fù)載電阻。

4 機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源試驗(yàn)

　　機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例：額定輸出功率15W，輸入電壓220V±10%50HzAC或270VDC±10%,三路輸出分別為+15VDC （0.8A）、-15VDC（0.15A）、+5VDC（0.2A），開(kāi)關(guān)頻率為40kHz，儲(chǔ)能式變壓器磁芯選用鐵氧體R2KBD GU30、繞組匝數(shù)N1/N2/N3/N4/N5=391/8/17/17/17，磁芯氣隙0.31mm，最大占空比0.6，臨界連續(xù)時(shí)輸出功率為1/6 額定功率，箝位電阻取為68kΩ，箝位電容取為2.2nF高頻瓷電容，箝位二極管取為肖特基二極管MUR180（1A /800V），整流二極管D3、D6、D8選用肖特基二極管IN5819（1A/40V），D7選用肖特基二極管IN5822（3A/40V）。
機(jī)內(nèi)輔助開(kāi)關(guān)電源試驗(yàn)波形，如圖4所示。圖4(a)是功率開(kāi)關(guān)柵源電壓,占空比為0.6；圖4(b)是功率開(kāi)關(guān)漏源電壓,其關(guān)斷電壓尖峰得到有效抑制；圖4 (c)是箝位電容C9電壓波形；圖4(d)是原邊繞組N1電壓波形,電壓尖峰小；圖4(e)是電流檢測(cè)電阻R10上電壓波形；圖4(f)是采用斜坡補(bǔ)償后 UC3843的3腳采樣信號(hào)電壓波形，斜坡補(bǔ)償后采樣信號(hào)電壓上升率高于電流檢測(cè)電阻R10上電壓上升率，提高了電路的抗干擾能力。由于該電源額定輸出功率為15W，其變換效率達(dá)75%是相當(dāng)高的。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性。


5 結(jié)論

1）RCD箝位電路能有效地抑制變壓器漏感引起的功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷電壓尖峰，在小功率變換場(chǎng)合具有明顯的優(yōu)點(diǎn)；

2）給出關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)公式，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致；

3）該機(jī)內(nèi)輔助電源具有功率密度高、變換效率高、過(guò)載與短路能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)良的綜合性能，在AC/AC、DC/AC、AC/DC、DC/DC等四類(lèi)電力電子變換器中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳道煉.高頻環(huán)節(jié)航空靜止變流器研究[博士后研究工作報(bào)告]. 南京航空航天大學(xué).2001.